本发明涉及光谱控制技术领域，特别涉及一种波长稳定控制装置。
背景技术：
在激光器研发过程中，时常需要对激光光谱(如激光波长、激光线宽)，进行控制以满足不同的应用需求。以准分子激光系统为例，针对光刻应用，为了保证半导体硅片芯片图案的精细度，要求光刻光源有较窄的激光线宽输出；准分子激光器中心波长的微小漂移会使光刻系统产生离焦现象，因此需要对准分子激光器的中心波长稳定性进行控制。提高准分子激光器的输出光谱稳定性，特别是中心波长的稳定性，对研制高性能准分子激光器提高微电子光刻工艺性能具有重要意义。
在准分子激光器中一般通过线宽压窄模块完成光谱控制及波长选择。棱镜组配合光栅的方法是目前使用较广的光谱控制方法。图1是准分子激光系统线宽压窄模块基本结构示意图，主要包含1-棱镜组及2-光栅。棱镜组对到达光栅之前的光束进行一维的扩束、准直，降低腔内光束能量密度，同时有利于光谱的选择和控制。
光栅为中阶梯光栅，展宽后的光束以特定角度入射到光栅上，光栅对入射光有选择作用，满足闪耀条件的光谱成分会被返回到激光腔内，经过多次往返振荡，最终形成窄线宽激光输出。光束入射光栅的角度不同，实现振荡的激光中心波长也不同，调谐光束在光栅上入射角可以实现对激光中心波长的调谐。
中阶梯光栅通常工作在littrow模式和闪耀条件下，根据littrow结构下的光栅方程：
2dcosαb＝mλ.
由此得到，激光波长调谐与光栅转角之间的关系为：
若要将波长稳定性控制在0.3pm以内，则光束在光栅上的入射角变化应控制在6.2μmad。通过常规的方法转动光栅改变光束入射角很难进行高精度快速地调整。在准分子激光器的线宽压窄模块中增加平面反射镜，可以精密调节反射镜的角度实现中心波长的精确、快速地调整。但这种方法引入了额外的光学元件，增加了工装难度以及系统的能量损耗。与转动棱镜组的方案相比，本发明对线宽影响小，有利于光谱稳定输出。
技术实现要素：
本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：
本发明实施例提供了一种波长稳定控制装置，用于对激光光谱进行控制，所述波长稳定控制装置包括：
棱镜组、光栅、棱镜组平台、精密转台、激光放电腔、输出耦合镜、波长测量系统以及控制系统；
所述棱镜组由至少一个棱镜组成；
所述棱镜组平台，用于承载及固定所述棱镜；
所述精密转台，用于调节旋转所述棱镜组中的最后一个棱镜，所述最后一个棱镜为沿光路排布靠近所述光栅的一个棱镜；
所述光栅对由所述棱镜组中的所述最后一个棱镜中出射的光进行色散及激光中心波长选择；
所述激光放电腔通过气体放电产生荧光，并将所述荧光输入至所述棱镜组；
所述输出耦合镜与由所述棱镜组及所述光栅组成的线宽压窄模块共同构成谐振腔，输出窄线宽激光；
所述波长测量系统，用于监测所述谐振腔输出的窄线宽激光输出波长；
所述控制系统通过所述波长测量系统的数据对所述精密转台进行反馈控制。
在一些实施例中，所述棱镜组包括4个直角棱镜，所述4个直角棱镜分别为：第一棱镜，第二棱镜，第三棱镜，第四棱镜，所述第一棱镜，第二棱镜和第三棱镜设置在所述棱镜组平台上，所述第四棱镜设置在所述精密转台上。
在一些实施例中，所述棱镜组包括至少2个棱镜，所述棱镜组除最后一个棱镜固定在所述精密转台上之外，其余的棱镜固定设置在所述棱镜组平台上。
在一些实施例中，所述精密转台为电控转台，所述波长稳定控制装置还包括压电陶瓷的控制器，所述压电陶瓷的控制器与所述控制系统相连；
所述控制系统根据所述波长测量系统的数据，对所述压电陶瓷的控制器进行反馈控制，实现对所述最后一块棱镜的角度调节。
在一些实施例中，所述精密转台为步进促动器，所述波长稳定控制装置还包括步进促动器的控制器，所述步进促动器的控制器与所述控制系统相连；
所述控制系统根据所述波长测量系统的数据，对所述步进促动器的控制器进行反馈控制，实现对所述最后一块棱镜的角度调节。
在一些实施例中，所述波长稳定控制装置还包括：第一狭缝，所述第一狭缝设置在所述线宽压窄模块前端及所述输出耦合镜后端。
在一些实施例中，所述波长稳定控制装置还包括：标准具，所述标准具设置在所述棱镜组的最后一块棱镜和所述光栅之间，所述标准具可通过与棱镜的级联作用实现准分子激光器光谱的稳定输出。
在一些实施例中，所述波长稳定控制装置还包括：第二狭缝，所述第二狭缝设置在所述激光器放电腔两端。
在一些实施例中，所述棱镜组的棱镜为等腰直角棱镜。
在一些实施例中，所述棱镜组的棱镜为具有特殊角度的棱镜，所述棱镜的顶角为39°～45°。
本发明的技术效果：本发明公开的波长稳定控制装置通过转动线宽压窄模块中最后一面棱镜的角度，实现中心波长的调整。调节简便、快速、精确度高，克服了转动光栅调整速度慢、精度不高，以及引入新的光学元件增加系统损耗的缺点。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的波长稳定控制装置的原理示意图；
图2是根据本发明一个实施例的波长稳定控制装置的原理示意图；
图3是根据本发明一个实施例的波长稳定控制装置的原理示意图；
图4是根据本发明一个实施例的波长稳定控制装置的原理示意图；
图5是根据本发明一个实施例的波长稳定控制装置的原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
参考图1至图5所示，示意出了根据本发明一个实施例的波长稳定控制装置100，用于对激光光谱进行控制，所述波长稳定控制装置100包括：棱镜组、光栅3、棱镜组平台1、精密转台2、激光放电腔4、输出耦合镜5、波长测量系统6、以及控制系统7；
所述棱镜组，由至少1个棱镜组成；
所述棱镜组平台1，用于承载、固定所述棱镜；
所述精密转台2，用于调节旋转所述棱镜组中最后一个棱镜，所述最后一个棱镜为沿光路排布靠近所述光栅3的一个棱镜；
所述光栅3，对由所述棱镜组中的最后一个棱镜中出射的光进行色散及激光中心波长选择；
所述激光放电腔4，通过气体放电，产生荧光，并将所述荧光输入至所述棱镜组；
所述输出耦合镜5，与由所述棱镜组及所述光栅3组成的线宽压窄模块共同构成谐振腔，输出窄线宽激光；
所述波长测量系统6，用于监测所述谐振腔输出的窄线宽激光输出波长；
所述控制系统7，通过所述波长测量系统的数据对所述精密转台2进行反馈控制。
在一些实施例中，所述棱镜组包括4个直角棱镜，所述4个直角棱镜分别为：第一棱镜p1，第二棱镜p2，第三棱镜p3，第四棱镜p4，所述第一棱镜p1，第二棱镜p2和第三棱镜p3设置在所述棱镜组平台1上，所述第四棱镜p4为最后一个棱镜，设置在所述精密转台2上。即前3个棱镜设置在所述棱镜组平台1上，第4个棱镜设置在所述精密转台2上。
如图1-5所示，所述棱镜p1-p3设置在所述棱镜组平台1上，所述棱镜p4设置在所述精密转台2上。
在一些实施例中，所述棱镜组包括至少2个棱镜，所述棱镜组除最后一个棱镜固定在所述精密转台2上之外，其余的棱镜固定设置在所述棱镜组平台1上。
在一些实施例中，所述精密转台2为电控转台，所述波长稳定控制装置100还包括压电陶瓷的控制器，所述压电陶瓷的控制器与所述控制系统7相连；
所述控制系统7根据所述波长测量系统6的数据，对所述压电陶瓷的控制器进行反馈控制，实现对所述最后一块棱镜的角度调节。
在一些实施例中，所述精密转台2为步进促动器，所述波长稳定控制装置100还包括步进促动器的控制器，所述步进促动器的控制器与所述控制系统7相连；
所述控制系统7根据所述波长测量系统6的数据，对所述步进促动器的控制器进行反馈控制，实现对所述最后一块棱镜的角度调节。
如图2-5所示，其中标号8为步进促动器的控制器或者压电陶瓷的控制器。
在一些实施例中，所述波长稳定控制装置100还包括：第一狭缝9，所述第一狭缝9设置在所述线宽压窄模块前端及所述输出耦合镜5后端。
在一些实施例中，所述波长稳定控制装置100还包括：标准具10，所述标准具10设置在所述棱镜组的最后一块棱镜和所述光栅3之间，所述标准具10可通过与棱镜的级联作用实现准分子激光器光谱的稳定输出。
在一些实施例中，所述波长稳定控制装置100还包括：第二狭缝11，所述第二狭缝11设置在所述激光器放电腔两端。
在一些实施例中，所述棱镜组的棱镜为等腰直角棱镜。
在一些实施例中，所述棱镜组的棱镜为具有特殊角度的棱镜，所述棱镜的顶角为39°～45°。
本发明的技术效果：本发明公开的波长稳定控制装置100通过转动线宽压窄模块中最后一面棱镜的角度，实现中心波长的调整。调节简便、快速、精确度高，克服了转动光栅调整速度慢、精度不高，以及引入新的光学元件增加系统损耗的缺点。
下面结合具体的实施例对本发明提供的波长稳定控制装置100进行详细的说明。
实施例1：
如图1至图5所示，为本发明实施例提供的波长稳定控制装置100。
如图1所示，本发明的一种波长稳定控制装置100，包括棱镜组(p1-p4)、光栅3、棱镜组平台1、精密转台2、激光放电腔4、输出耦合镜5、波长测量系统6、以及控制系统7；所述棱镜组平台1，用于承载、固定所述棱镜p1-p3；所述精密转台2，用于调节旋转所述棱镜组中最后一个棱镜p4；所述光栅3，对由所述最后一个棱镜(第四棱镜p4)中出射的光进行色散及激光中心波长选择；所述激光放电腔4，通过气体放电，产生荧光；所述输出耦合镜5，与由所述棱镜组及光栅3组成的线宽压窄模块共同构成谐振腔，输出窄线宽激光；所述波长测量系统6，用于监测激光输出波长；所述控制系统7，通过所述波长测量系统的数据对所述精密转台2进行反馈控制。
所述棱镜组包含4个直角棱镜。第一棱镜p1、第二棱镜p2、第三棱镜p3、第四棱镜p4为紫外级熔融石英材料或紫外透光性良好的材料，如caf2、mgf2等。可以是等腰直角棱镜或具有特殊角度的棱镜，如顶角为39°～45°的棱镜。第一棱镜p1，第二棱镜p2和第三棱镜p3固定在棱镜组平台1上。最后一块棱镜(第四棱镜p4)固定在精密转台2上。通过转动精密转台2实现对最后一面棱镜角度的微小调节，改变光束入射到光栅3上的角度，从而实现对中心波长的快速调谐。
本发明的波长稳定性控制装置的本质是快速而精确的调节入射到光栅上的光束的入射角。根据常用的线宽压窄模块的工作原理可知，利用图2中所示的由扩束棱镜p1～p4(第一棱镜p1、第二棱镜p2、第三棱镜p3、第四棱镜p4)和光栅3构成的线宽压窄模块可以实现对准分子激光器中心波长稳定的窄线宽输出。放电腔内的荧光在输出耦合镜5和光栅3之间往复振荡产生激光，改变最后一个棱镜(也即：第四棱镜p4)的角度，也就是改变了光束在第四棱镜p4上的入射角，随着入射角的改变，光束在第四棱镜p4的出射角也会改变。在光栅3角度不变的情况下，入射到光栅3上光束的入射角就发生了改变。根据光栅方程，
2dcosαb＝mλ.
可知，入射角改变，闪耀波长发生改变。也就是在输出耦合镜与5光栅3之间反复振荡的激光中心波长发生了改变，即实现了准分子激光器中心波长的调谐。其中，公式中d为光栅常数，αb为光栅闪耀角，m为闪耀级次，λ为激光波长。
如图1所示，第一棱镜p1、第二棱镜p2和第三棱镜p3固定在棱镜组平台上，第四棱镜p4固定在转台上。光束在第一棱镜p1、第二棱镜p2、第三棱镜p3、第四棱镜p4上的入射角在65°～75°之间，经过棱镜组扩束后入射到光栅3表面。精密转台2为精密电动转台，通过控制系统7控制。在激光出射端有波长测量系统。波长测量系统的数据通过控制系统7处理后，由控制系统7对精密转台2进行反馈控制，确保中心波长稳定。
精密转台2也可以为步进促动器。通过推动最后一块棱镜的固定平台，使其绕轴旋转，实现对最后一块棱镜角度的调节，如图3所示。图2-图5中的标号8为步进促动器的控制器或压电陶瓷的控制器，与控制系统7相连。根据波长测量系统6的数据，有控制系统7对电机或压电陶瓷的控制器8进行反馈控制，实现对最后一块棱镜角度的调节。
在本发明的一些实施例中，可以在线宽压窄模块前端及输出耦合镜后端设置第一狭缝9，通过第一狭缝9对光束的发散角进行压制，以获得更窄线宽的输出，如图3所示。
在本发明的一些实施例中，可以利用标准具10对光束进行光谱控制，将标准具10置于第四棱镜p4和光栅3之间，通过棱镜与标准具的级联作用实现准分子激光器光谱的稳定输出，如图4所示。
在本发明的一些实施例中，可以在上一结构基础上也可进行改进，即在激光器放电腔两端插入两个第二狭缝11对光束发散角进行控制，可以获得更窄线宽的激光输出，如图5所示。
本领域内的技术人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。